基于生命周期的猴子巖水電站溫室氣體排放分析

鐘 權(quán)，夏 欣

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變暖，已經(jīng)成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，大力發(fā)展水電是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要選擇[1]。水電作為可再生清潔能源，不僅僅是改善能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，同時(shí)也是改善生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要措施。

然而，水電資源的開發(fā)與水電工程的建設(shè)，歸根結(jié)底是對(duì)自然生態(tài)的改造。水電工程的施工、運(yùn)營及廢棄處置，必然存在著能源消耗與污染物排放的問題。隨著我國水電的快速發(fā)展，水電站溫室氣體排放問題備受矚目。國內(nèi)現(xiàn)有的研究[2-4]或未考慮水電運(yùn)營及維護(hù)期間水庫溫室氣體釋放過程，或多以小水電為研究對(duì)象，或未考慮水庫溫室氣體通量隨庫齡增大而變化。研究水電開發(fā)與水電工程建設(shè)中溫室氣體的排放特點(diǎn)，對(duì)于研究改善能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化，具有十分重要的意義。

生命周期評(píng)價(jià)是一種全過程的評(píng)價(jià)方法，能夠揭示隱含在產(chǎn)業(yè)鏈中的溫室氣體排放。目前，國際上生命周期評(píng)價(jià)法在水電站建設(shè)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面有一定的研究。

本文在充分查閱相關(guān)研究數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，以猴子巖水電站為工程案例，對(duì)其生命周期內(nèi)的溫室氣體排放進(jìn)行定量的分析，系統(tǒng)邊界包括原材料生產(chǎn)及運(yùn)輸、施工過程、運(yùn)營及維護(hù)階段、拆除階段等，提出面板堆石壩水電樞紐在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放特點(diǎn)，并與大型水電站及火力發(fā)電的溫室氣體排放進(jìn)行比較，驗(yàn)證水力發(fā)電的清潔屬性。

1 研究方法

1.1 工程概述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第9級(jí)電站，上游為丹巴水電站，下游為長河壩水電站。電站開發(fā)的主要任務(wù)為發(fā)電，總裝機(jī)1 700 MW，年平均年發(fā)電量74.53億kW·h。水庫正常蓄水位1 842 m，總庫容為7.07億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。樞紐建筑物主要由擋水壩、兩岸泄洪消能建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.50 m。猴子巖水電站主要工程量如表1所示。

表1 猴子巖水電站主要工程量

1.2 研究目標(biāo)

基于生命周期評(píng)價(jià)方法，以猴子巖水電站為研究對(duì)象，研究混凝土面板堆石壩樞紐工程生命周期溫室氣體排放特點(diǎn)；將水力發(fā)電工程生命周期溫室氣體排放與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，評(píng)估減排效益，探討水力發(fā)電的清潔性與優(yōu)質(zhì)性。

1.3 系統(tǒng)邊界

一般而言，水電站系統(tǒng)生命周期可分為三個(gè)階段：建設(shè)階段，運(yùn)營及維護(hù)階段，拆除階段，系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邊界

2 生命周期清單分析

2.1 建設(shè)階段

一般而言，建設(shè)階段主要包括：原材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和施工過程。

2.1.1 建設(shè)原材料生產(chǎn)

水電工程主要原材料為水泥、鋼筋，以及木材、炸藥、油料等。以鋼材為典型對(duì)象進(jìn)行溫室氣體排放清單分析[5]，如表2所示。

表2 鋼材的溫室氣體排放清單

2.1.2 材料運(yùn)輸

本電站所需水泥在樂山、西昌等地采購，鋼筋及鋼材等在成都、攀枝花采購，油料在雅安采購，均采用公路運(yùn)輸方式，運(yùn)輸距離在300～600 km。材料運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體主要來自運(yùn)輸設(shè)備燃油產(chǎn)生，汽車運(yùn)輸過程的溫室氣體排放清單[3]如表3所示。

表3 汽車運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放清單

2.1.3 施工過程

施工過程主要包括土石方工程、混凝土工程、灌漿工程等，其溫室氣體主要是各類機(jī)械設(shè)備耗油、耗電而產(chǎn)生。根據(jù)《水電工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》得到單位施工過程的能源消耗情況，計(jì)算得到總的耗油、耗電情況。根據(jù)柴油及電能的溫室氣體排放清單，即可得到施工過程溫室氣體排放情況。其中，柴油的溫室氣體排放清單[6]如表4所示。

表4 柴油的溫室氣體排放清單

2.2 運(yùn)營及維護(hù)階段

運(yùn)營及維護(hù)階段主要包括水電站日常運(yùn)營過程中能源消耗以及水庫溫室氣體凈通量。猴子巖水電站是以發(fā)電為主的水電工程，在電站運(yùn)營期間幾乎沒有污染物的排放[3]；電站水庫淹沒的植被和土壤有機(jī)物被微生物分解為CO2和CH4是水庫中重要的溫室氣體來源。

2.3 拆除階段

拆除階段則主要是大壩拆除及垃圾處理等。一般而言，電站退役后往往會(huì)繼續(xù)保留大壩。目前還沒有關(guān)于水電站廢棄處置污染排放方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般假定該過程CO2排放為建設(shè)過程的10%[7]。

2.4 生命周期分析結(jié)果

根據(jù)各階段溫室氣體排放情況，匯總得到生命周期內(nèi)溫室氣體排放結(jié)果，如表5所示。

表5 生命周期溫室氣體分析結(jié)果

3 討論與分析

3.1 溫室氣體排放分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)不同環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)研究，可以將CO及CH4折算為CO2當(dāng)量，詳見表6。

表6 溫室氣體當(dāng)量因子

據(jù)此，猴子巖水電站生命周期溫室氣體排放量可折算為3.734×109kg，該電站年發(fā)電量74.53億kW·h，按設(shè)計(jì)使用壽命50年考慮，總發(fā)電量約3.727×108MW·h，單位溫室氣體排放量為10.02 kg CO2/MWh。

3.2 各階段溫室氣體排放分析

根據(jù)猴子巖水電站生命周期溫室氣體排放量及各階段溫室氣體排放量情況，可以得到建設(shè)階段、運(yùn)營及維護(hù)階段和拆除階段的溫室氣體排放占比情況，見圖2所示。

圖2 各階段溫室氣體排放占比

由圖2可以看出，建設(shè)階段對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)值最大，達(dá)到了66.69%，運(yùn)營及維護(hù)階段及拆除階段僅約33.31%。其中，原材料生產(chǎn)對(duì)溫室氣體排放占整個(gè)建設(shè)階段的約90%，因此應(yīng)充分重視建設(shè)原材料的選擇及使用對(duì)水電站生命周期內(nèi)溫室氣體排放的影響。

3.3 建設(shè)階段各建筑物溫室氣體排放分析

猴子巖水電站樞紐建筑物主要包括擋水建筑物(混凝土面板堆石壩)、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電建筑物，分析得到建設(shè)階段各建筑物溫室氣體排放占比情況，如圖3所示。

圖3 建設(shè)階段各建筑物溫室氣體排放占比

可以看出，盡管混凝土面板堆石壩填筑量大，但擋水建筑物在建設(shè)階段溫室氣體排放占比僅不到5%，而泄洪消能建筑物及引水發(fā)電建筑物占比較大。這是因?yàn)閾跛ㄖ咽嫌昧看?，但混凝土用量較少，根據(jù)相關(guān)研究[2，9]，單方土石填筑料的溫室氣體排放系數(shù)僅為混凝土的1/100，因此，擋水建筑物建設(shè)階段溫室氣體排放占比較小。

3.4 與火力發(fā)電溫室氣體排放比較

根據(jù)相關(guān)研究成果得到火力發(fā)電生命周期溫室氣體排放系數(shù)[10]為1 083.7～1 341.9 kg CO2/MW·h?？梢钥闯?，猴子巖水電站溫室氣體排放僅約為火力發(fā)電的1/100，彰顯了水力發(fā)電的清潔屬性。

3.5 與其他水電站溫室氣體排放比較

杜海龍[11]對(duì)金沙江下游向家壩等四個(gè)大型水電站生命周期溫室氣體排放進(jìn)行了研究，電站裝機(jī)容量達(dá)6 400～16 000 MW，生命周期溫室氣體排放系數(shù)為4.39～9.14 kg CO2/MW·h。龐明月以裝機(jī)僅3.2MW的觀音巖[12]水電站為工程背景，Zhang Qinfen[13]以裝機(jī)僅為44 MW的三插溪水電站為工程背景，研究了小型水電站生命周期溫室氣體排放研究。猴子巖水電站與其他水電站溫室氣體排放系數(shù)對(duì)比見圖4。

圖4 與其他水電站溫室氣體排放系數(shù)對(duì)比

由圖4可以看出，猴子巖水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)大于金沙江下游四個(gè)大型水電站生命周期溫室氣體排放系數(shù)，但遠(yuǎn)低于觀音巖水電站及三插溪水電站等小型水電站，其原因可能是水電站生命周期溫室氣體排放與其裝機(jī)規(guī)模有一定的關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)以猴子巖水電站為工程背景，基于生命周期的角度，對(duì)面板堆石壩水電樞紐生命周期溫室氣體排放進(jìn)行了研究。猴子巖水電站溫室氣體排放系數(shù)為10.02 kg CO2/MW·h，其中，建設(shè)階段對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)值最大，約占66.69%。在建設(shè)階段，擋水建筑(混凝土面板堆石壩)對(duì)溫室氣體排放占比較小。

(2)與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，猴子巖水電站生命周期溫室氣體排放十分優(yōu)異。大力開發(fā)水電能有效地減低溫室氣體的排放；與金沙江大型水電站相比，猴子巖水電站生命周期溫室氣體排放較高，但低于小型水電站溫室氣體排放系數(shù)。